高壓開關(guān)故障檢測的原理及方法

電力系統(tǒng)對供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性提出了越來越高的要求，高壓輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行已成為影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。高壓開關(guān)在電網(wǎng)中起著控制和保護(hù)的作用，當(dāng)發(fā)生故障或事故時(shí)會(huì)引起電網(wǎng)事故或擴(kuò)大事故。大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)對高壓開關(guān)及其操作機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行過兩次世界范圍的調(diào)查，結(jié)果表明，大多數(shù)開關(guān)故障(主要故障的70%和次要故障的86%)屬于機(jī)械性質(zhì)，主要涉及操作機(jī)構(gòu)、監(jiān)視裝置和輔助裝置。目前國內(nèi)高壓開關(guān)的問題也主要體現(xiàn)在機(jī)械故障上，如：絕緣拉桿脫落、斷裂、擊穿，水平拉桿斷銷等。因此，高壓開關(guān)機(jī)械故障的檢測具有十分重要的意義。

1  高壓開關(guān)機(jī)械故障檢測基本方法及原理

1.1  分、合閘線圈電流的檢測

高壓開關(guān)一般都是以電磁鐵作為操作的一級控制元件，并且大多數(shù)開關(guān)皆以直流作為控制電源。在每次分、合過程中，直流電磁線圈的電流隨時(shí)間變化，此變化波形中蘊(yùn)藏著極為重要的信息。線圈電流波形可以反映的狀態(tài)有鐵心行程、鐵心卡滯、線圈狀態(tài)(如是否有短路匝)、與鐵心頂桿連接的鐵閂和閥門的狀態(tài)、合、分線圈的輔助接點(diǎn)狀況與轉(zhuǎn)換時(shí)間。通過對分合操作線圈動(dòng)作電流的檢測，運(yùn)行人員可以大致了解開關(guān)二次控制回路的工作情況及鐵心的運(yùn)動(dòng)有無卡滯等，為檢修提供一個(gè)輔助判據(jù)。分合閘線圈的電流是開關(guān)狀態(tài)檢測的一個(gè)重要內(nèi)容。通過霍爾傳感器可以很方便的采集分合閘線圈的電流。通過實(shí)測的波形與典型波形進(jìn)行比較即可判斷開關(guān)的鐵心有無卡滯等問題。

1.2  高壓開關(guān)動(dòng)觸頭行程的檢測

高壓開關(guān)的行程–時(shí)間特性是表征高壓開關(guān)機(jī)械特性的重要參數(shù)，也是計(jì)算高壓開關(guān)分、合閘速度的依據(jù)。高壓開關(guān)分合閘速度，尤其是開關(guān)合閘前、分閘后的動(dòng)觸頭速度，對開關(guān)的開斷性能有至關(guān)重要的影響。因此，高壓開關(guān)的行程–時(shí)間特性檢測，是高壓開關(guān)檢測的重要內(nèi)容。由于開關(guān)動(dòng)觸頭作直線運(yùn)動(dòng)，可以安裝一個(gè)與動(dòng)觸頭一起運(yùn)動(dòng)的附加件，當(dāng)動(dòng)觸頭做分、合操作時(shí)，該附加件隨連桿做直線運(yùn)動(dòng)，通過光電傳感器，將連續(xù)變化的位移量變成一系列電脈沖信號(hào)。記錄該脈沖的個(gè)數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)觸頭全行程參數(shù)的測量；同時(shí)，記錄每一個(gè)電脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻值，將位移同時(shí)間相除，就可計(jì)算出動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過程中的大速度和平均速度。目前測量高壓開關(guān)的行程–時(shí)間特性，多采用光電式位移傳感器與相應(yīng)的測量電路配合進(jìn)行，常用的有增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器。目前市場上根據(jù)這種方法研制的產(chǎn)品眾多，可將測試結(jié)果直接打印，部分測試儀具備RS232/485接口，可將測試結(jié)果上傳。

1.3  振動(dòng)信號(hào)的檢測

高壓開關(guān)是一種瞬動(dòng)式機(jī)械，在其分合過程中，有一系列運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的起動(dòng)、制動(dòng)、撞擊的出現(xiàn)，這些運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變都在其構(gòu)架上引起多個(gè)沖擊振動(dòng)，每個(gè)振動(dòng)對應(yīng)著開關(guān)分、合過程中特定的動(dòng)作事件。這些沖擊振動(dòng)的波形呈上升和衰減過程，其峰值點(diǎn)在時(shí)間上具有很好的辨認(rèn)性。但是，從振動(dòng)發(fā)生到振動(dòng)傳感器測量到的峰值時(shí)間之間，總會(huì)由于振動(dòng)波的傳播帶來一定的誤差，因此峰值時(shí)間較振動(dòng)發(fā)生時(shí)間有一定的時(shí)間延遲。不過，檢測系統(tǒng)只是根據(jù)振動(dòng)信號(hào)來求取各個(gè)振動(dòng)事件之間的時(shí)間差，并不一定需要知道其發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)刻。所以只要每個(gè)事件均進(jìn)行了相似的簡化，時(shí)間差的計(jì)算誤差不受影響，可以利用振動(dòng)信號(hào)的峰值時(shí)間作為各個(gè)振動(dòng)事件的發(fā)生時(shí)刻，并將它們相減后得到動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)振動(dòng)事件之間的時(shí)間差。此外，對于某一臺(tái)特定的開關(guān)而言，在健康狀態(tài)下它的分、合操作的振動(dòng)信號(hào)具有較強(qiáng)的相似性。對于實(shí)時(shí)測量得到的振動(dòng)信號(hào)，可在離線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(振動(dòng)信號(hào)波形和機(jī)械特性曲線)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合考慮該次動(dòng)作的機(jī)械特性曲線來粗略確定各個(gè)振動(dòng)事件發(fā)生的先后次序和時(shí)間區(qū)段，然后將各個(gè)區(qū)段的峰值時(shí)間作為該振動(dòng)事件的發(fā)生時(shí)刻。各時(shí)間相差后得到各事件之間的相對時(shí)間，以接到分、合電脈沖時(shí)間為基準(zhǔn)計(jì)算各事件的發(fā)生時(shí)間，就能找到動(dòng)靜觸頭間的合、分時(shí)刻。將動(dòng)觸頭的行程信號(hào)同該合、分時(shí)刻結(jié)合，并根據(jù)相應(yīng)的定義，就可以計(jì)算出剛分(合)速度、行程、超行程；將三相的分合時(shí)刻相差就可獲得該次動(dòng)作的不同期參數(shù)。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的檢測和診斷對保證高壓開關(guān)安全運(yùn)行有重要的意義。而基于振動(dòng)信號(hào)的開關(guān)機(jī)械狀態(tài)診斷方法作為一種間接的、不拆卸的診斷方法、目前已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

對于高壓開關(guān)，在分合閘操作過程中，內(nèi)部主要機(jī)構(gòu)不見得運(yùn)動(dòng)、撞擊和摩擦都會(huì)引起表面的振動(dòng)，振動(dòng)是內(nèi)部多種現(xiàn)象激勵(lì)的響應(yīng)，這些激勵(lì)包括機(jī)械操作、電動(dòng)力或靜電力作用、局部放電以及SF6氣體中的微粒運(yùn)動(dòng)等。振動(dòng)信號(hào)中包含豐富的機(jī)械狀態(tài)信息，甚至機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上某些細(xì)微變化也可以從振動(dòng)信號(hào)上發(fā)現(xiàn)出來。因此，以外部振動(dòng)信號(hào)為特征信號(hào)，可以對高壓開關(guān)的這些狀態(tài)進(jìn)行檢測。具體做法是在開關(guān)適當(dāng)部位，如具有較大的振動(dòng)強(qiáng)度，較高信噪比的部分，安裝振動(dòng)傳感器，當(dāng)開關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)。采集振動(dòng)信號(hào)經(jīng)處理后作為診斷的根據(jù)。

檢測振動(dòng)信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)信號(hào)的采集不涉及電氣測量，振動(dòng)信號(hào)受電磁干擾小，傳感器安裝于外部，對開關(guān)無任何影響。同時(shí)，振動(dòng)傳感器尺寸小，工作可靠，價(jià)格低廉，靈敏度高，抗干擾好，特別適用于動(dòng)作頻繁的高壓開關(guān)的在線檢測及不拆卸檢修。振動(dòng)檢測的難點(diǎn)在于信號(hào)的一致性較差及如何提取特征量。目前主要的分析方法有以下幾種：①振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間及幅值；②時(shí)域、頻域復(fù)合分析；③“狀態(tài)圖”，均值、方差、過零次數(shù)，翻轉(zhuǎn)次數(shù)等；④動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整法；⑤偏差測試法；⑥指數(shù)衰減振蕩子波分解法；⑦人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。 目前開關(guān)振動(dòng)的測量研究是熱點(diǎn)，但還沒有較成熟的產(chǎn)品問世。

2  高壓開關(guān)機(jī)械故障檢測存在的主要問題

目前高壓開關(guān)機(jī)械故障的檢測方法基本上成熟，機(jī)械特性測試儀產(chǎn)品眾多，大部分具有分、合閘線圈電流及行程測試的功能。其有效性已被開關(guān)生產(chǎn)廠商和供電部門所認(rèn)可。存在的主要問題在于缺乏有效的數(shù)據(jù)管理及分析診斷平臺(tái)。大部分的測試儀都可將測試結(jié)果打印出來，但無法存儲(chǔ)；對于故障的判斷，大多采用閾值的方法，對某個(gè)斷路器的多次測試結(jié)果無法通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等手段進(jìn)行有效的“縱比”，更無法對各地同一型號(hào)斷路器的測試結(jié)果進(jìn)行“橫比”，不利于故障的診斷。因而，設(shè)計(jì)和開發(fā)高壓開關(guān)機(jī)械故障分析和診斷平臺(tái)十分必要的。